Меню

При скольки градусах замерзает вода в озере

При скольки градусах замерзает вода в озере

Глубокая осень. Дни становятся всё короче и короче.

* Солнце выглянет на минуту из-за тяжёлых туч, скользнёт по земле своим косым лучом и снова скроется. Холодный ветер свободно гуляет по опустевшим ПОЛЯМ и обнажённому лесу, выискивая где-нибудь засохший цветок или прижавшийся к ветке лист, чтобы сорвать его, высоко поднять и потом бросить в ров, канаву или бо­розду. По утрам лужи уже покрываются хрустящими льдинками. Только глубокий пруд все ещё не хочет за­мёрзнуть, и ветер попрежнему рябит его серую гладь. Но вот замелькали пушистые снежинки. Они подолгу крутятся в воздухе, как бы не решаясь упасть на холод­ную неприветливую землю. Идёт зима…

Тонкая корка льда, образовавшаяся сначала у бере­гов пруда, ползёт на середину к более глубоким местам, и вскоре вся поверхность покрывается чистым прозрач­ным ледяным стеклом. Ударили морозы, и лёд стал тол­стым, чуть не в метр. Однако до дна ещё далеко. Подо льдом даже в сильные морозы сохраняется вода. Почему же глубокий пруд не промерзает до дна?

Известно, что кузнец нагревает железную шину, прежде чем надеть её на деревянный обод колеса. Охладившись, шина делается короче и плотно обжимает обод. Рельсы никогда не укладываются плотно друг к другу, иначе, на­гревшись на солнце, они обязательно изогнутся. Если на­лить полную бутылку масла и поставить её в тёплую воду, то масло станет переливаться через край.

Из этих примеров ясно, что при нагревании тела рас­ширяются, а, при охлаждении сжимаются. Это спра­ведливо почти для всех тел, но для воды этого нельзя утверждать безоговорочно. В отличие от других тел вода при нагревании ведёт себя по-особому. Если при нагре­вании тело расширяется, значит, оно становится менее плотным, — ведь вещества в этом теле остаётся столько же, а объём его увеличивается. При нагревании жидко­стей в прозрачных сосудах можно наблюдать, как более тёплые, и потому менее плотные, слои поднимаются со дна вверх, а холодные опускаются вниз. На этом осно­вано, между прочим, устройство водяного. отопления с естественной циркуляцией воды. Остывая в радиаторах, вода становится плотнее, опускается вниз и поступает в котёл, вытесняя вверх уже нагретую там и потому менее плотную воду.

Подобное движение происходит с наступлением осени и в пруду. Отдавая своё тепло холодному воздуху, вода охлаждается с поверхности пруда и, как более плотная, стремится опуститься на дно, вытесцяя собой нижние тёплые, менее плотные слои. Однако такое движение бу­дет совершаться только до тех пор, пока вся вода не остынет до температуры плюс 4 градуса. Собравшаяся на дне при 4 градусах вода уже не будет подниматься вверх, хотя бы поверхностные её слои и имели температуру бо­лее низкую. Почему?

Вода при 4 градусах имеет самую большую плотность. При всех других температурах — выше или ниже 4 гра­дусов — вода оказывается менее плотной, чем при этой температуре.

В этом и заключается одно из отступлений воды от закономерностей, общих для других жидкостей, одна из её аномалий (аномалия — это отклонение от нормы). Плотность всех других жидкостей, как правило, начиная от температуры плавления, при нагревании уменьшается.

Что же произойдёт дальше при остывании пруда? Верхние слои воды становятся всё менее и менее плот­ными. Поэтому они остаются на поверхности и при нуле градусов превращаются в лёд. По мере дальнейшего остывания корка льда растёт, а под ней лопрежнему на­ходится жидкая вода с температурой, лежащей между нулём и 4 градусами.

Здесь, вероятно, у многих возникнет вопрос: почему же нижняя кромка льда не тает, если она находится в соприкосновении с водой? Потому, что тот слой воды, ко­торый непосредственно соприкасается с нижней кромкой льда, имеет температуру нуль градусов. При этой тем­пературе одновременно существуют и лёд и вода. Для того чтобы лёд превратился в воду, необходимо, как уви­дим дальше, значительное количество тепла. А этого тепла нет» Небольшой слой воды с температурой в нуль

Градусов отделяет от льда более глубокие слои тёплой воды.

Но теперь представьте себе, что вода ведёт себя так, как большинство других жидкостей. Достаточно было бы незначительного мороза, как все реки, озёра, а может быть, и северные моря, в течение зимы промёрзли бы до дна. Многие из живых существ подводного царства были бы обречены на гибель.

Правда, если зима очень продолжительная и суровая, то многие не слишком глубокие водоёмы действительно промерзают до дна. Но в наших широтах это наблюдается крайне редко. Промерзанию воды до дна препятствует и сам лёд: он плохо проводит тепло и защищает собой ниж­ние слои воды от дальнейшего охлаждения. Обитатели водоёмов должны быть благодарны воде за эту особен­ность.

За время с 1949 по 1955 год у нас появится больше 40 тысяч новых прудов и водоёмов. При строительстве водоёмов, в которых предполагается разводить рыбу, учитывается возможность промерзания их до дна в суро­вые зимы. Поэтому пруды, в которых будет разводиться рыба, устраивают как можно более глубокими.

При нуле градусов по Цельсию вода замерзает или тает?

Если лёд тоже считать водой (замерзшей), то на поставленный вопрос можно дать три разных ответа — в зависимости, как говорят, «от условий эксперимента». Предполагается, что давление близко к атмосферному (во всяком случае, не вакуум).

Первый случай. Лед плавает в воде при нулевой температуре, система очень хорошо термоизолирована, в сосуде плотная крышка, вода не испаряется. Такое положение называется безразличным равновесием. То есть лед не тает, вода не замерзает.

Второй случай. То же самое (лед плавает в воде, температура 0°С), но всё это находится (например, в кастрюле) на столе в комнате. В этом случае тепловая энергия извне (в основном от воздуха) будет поступать к воде и льду, и лед будет таять, пока весь не растает. При этом температура в кастрюле меняться не будет — если есть перемешивание. Без него произойдет расслоение: более теплая вода будет опускаться на дно кастрюли, а более холодная подниматься вверх, туда, где плавает лёд. После того, как весь лед растает, вода и кастрюля будут медленно нагреваться до комнатной температуры.

Третий случай. Лед и вода в кастрюле находятся в условиях, когда тепловая энергия передается от кастрюли, воды и льда наружу. Например, кастрюлю выставили зимой на холод (температура ниже нуля) или поставили в морозильную камеру. В этом случае вода будет замерзать, но если содержимое перемешивать, то температура еще не замерзшей воды, как и льда, будет по-прежнему нулевой. После замерзания всей воды в кастрюле температура льда в ней начнет понижаться, пока не станет равной температуре окружающего воздуха.

Что влияет на градус замерзания

Представим, что у нас есть идеальная среда с температурой ровно 0°C – общеизвестно, что вода замерзает именно при этом градусе – и в эту среду мы помещаем кусочек льда и воду в жидком состоянии. Что произойдет? Собственно, ничего: вода не замерзнет, а лед не начнет таять. Объяснение в том, что в данной модели нет условий для фазового перехода.

Простыми словами: помимо снижения температуры до определенного градуса, на замерзание воды влияют и другие факторы. Один из них – атмосферное давление, которое создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. И температура замерзания воды находится в прямой зависимости от давления.

Рассмотрим это на примере: чем выше мы поднимаемся над уровнем моря, ниже становится атмосферное давление и тем выше должна быть температура для кристаллизации воды. На высоте в 1000 метров вода замерзает при температуре +2 °C; поднявшись еще на километр, мы увидим, что вода кристаллизируется уже при +4 °C.

Наличие примесей

Также, кроме давления и температуры, на замерзание воды влияет ее состав: в ней в том или ином количестве находятся органические и минеральные частицы, то есть кусочки глины, песка, пыли. Когда температура в окружающей среде снижается до необходимого градуса, вокруг этих частиц образуются кристаллы: кусочки пыли, песка, камня выполняют роль ядрового центра, вокруг которого начинается процесс кристаллизации.

А в дистиллированной (очищенной) воде процесс замерзания протекает иначе: поскольку в ней нет потенциальных ядер кристаллизации, вода может охладиться до минусовой температуры, но не замерзнуть.

Итак, время замерзания воды зависит от таких факторов:

  • атмосферное давление в окружающей среде;
  • температура воздуха;
  • количество жидкости;
  • ее химический состав;
  • в какой емкости находится H2O (или отсутствие емкости).

Температура замерзания воды

Почему вода замерзает? Обычная вода всегда содержит некоторое количество взвешенных частиц минерального или органического происхождения. Это могут быть мельчайшие частицы глины, песка или домашней пыли.

Когда температура окружающей среды опускается до определённых значений, эти частицы берут на себя роль центров, вокруг которых начинают образовываться кристаллы льда.

Ядрами кристаллизации могут стать также воздушные пузырьки, а также трещины и повреждения на стенках сосуда, в котором находится вода. Скорость процесса кристаллизации воды во многом определяется количеством этих центров: чем их больше, тем быстрее замерзает жидкость.

В обычных условиях (при нормальном атмосферном давлении) температурой фазового перехода воды из жидкого состояния в твёрдое является отметка 0 градусов по Цельсию. Именно при такой температуре происходит замерзание воды на улице.

Отчего горячая вода замерзает быстрее холодной?

Горячая вода замерзает быстрее холодной – на этот феномен обратил внимание Эрасто Мпемба – школьник с Танганьики. Его эксперименты с массой для приготовления мороженого показали, что скорость замерзания подогретой массы значительно выше, чем холодной.

Одной из причин этого интересного явления, получившего название «парадокс Мпембы», является более высокая теплоотдача горячей жидкости, а также наличие в ней большего количества ядер кристаллизации по сравнению с холодной водой.

Взаимосвязаны ли температура замерзания воды и высота?

При изменении давления, часто связанного с нахождением на разной высоте, температура замерзания воды начинает радикально отличаться от стандартной, характерной для обычных условий. Кристаллизация воды на высоте происходит при следующих температурных значениях:

  • как ни парадоксально, на высоте 1000 м вода замерзает при 2 градусах тепла по шкале Цельсия;
  • на высоте 2000 метров это происходит уже при 4 градусах тепла.
Читайте также:  Усадьба кедровая телецкое озеро

Самая высокая температура замерзания воды в горах наблюдается на высоте свыше 5000 тысяч метров (например, в Фанских горах или на Памире).

Как давление влияет на процесс кристаллизации воды?

Давайте попробуем увязать динамику изменения температуры замерзания воды с переменой давления.

  • При давлении 2 атм вода замерзнет при температуре —2 градуса.
  • При давлении 3 атм началом замерзания воды станет температура —4 градуса по Цельсию.

При повышенном давлении температура начала процесса кристаллизации воды понижается, а температура кипения увеличивается. При низком давлении получается диаметрально противоположная картина.

Именно поэтому в условиях высокогорья и разреженной атмосферы весьма трудно сварить даже яйца, поскольку вода в котелке закипает уже при 80 градусах. Понятно, что при такой температуре приготовить пищу попросту невозможно.

При высоком давлении процесс плавления льда под лезвиями коньков происходит даже при очень низких температурах, но именно благодаря ему коньки скользят по ледяной поверхности.

Аналогичным образом объясняется примерзание полозьев сильно нагруженных нарт в рассказах Джека Лондона. Тяжёлые нарты, оказывающие давление на снег, вызывают его плавление. Образующаяся при этом вода облегчает их скольжение. Но стоит нартам остановиться и задержаться продолжительное время на одном месте, как вытесненная вода, замерзнув, приморозит полозья к дороге.

Температура кристаллизации водных растворов

Будучи отличным растворителем, вода легко вступает в реакции с различными органическими и неорганическими веществами, образуя массу подчас неожиданных химических соединений. Разумеется, каждое из них будет замерзать при разных температурах. Отразим это в наглядном списке.

  • Температура замерзания смеси спирта и воды зависит от процентного соотношения в ней обоих компонентов. Чем больше воды добавлено в раствор, тем ближе к нулю температура его замерзания. Если же в растворе больше спирта, процесс кристаллизации начнётся при значениях, близких к -114 градусам. Важно знать, что фиксированной температуры замерзания водно-спиртовые растворы не имеют. Обычно говорят о температуре начала процесса кристаллизации и температуре окончательного перехода в твёрдое состояние. Между началом образования первых кристаллов и полным застыванием спиртового раствора лежит температурный интервал величиной в 7 градусов. Так, температура замерзания воды со спиртом 40% концентрации на начальном этапе составляет -22,5 градуса, а окончательный переход раствора в твёрдую фазу произойдёт при -29,5 градусах.

Температура замерзания воды с солью находится в тесной связи со степенью её солёности: чем больше соли в растворе, тем при более низком положении ртутного столбика он замёрзнет.

Для измерения солёности воды используют особую единицу – «промилле». Итак, мы установили, что температура замерзания воды с увеличением концентрации солей понижается. Поясним это на примере:

Уровень солёности океанской воды равна 35 промилле, при этом средняя величина её замерзания составляет 1,9 градуса. Степень солёности черноморских вод насчитывает 18-20 промилле, поэтому замерзают они при более высокой температуре с диапазоном от -0,9 до -1,1 градуса Цельсия.

  • Температура замерзания воды с сахаром (для раствора, моляльность которого составляет 0,8) равна -1,6 градуса.
  • Температура замерзания воды с примесями во многом зависит от их количества и характера примесей, входящих в состав водного раствора.
  • Температура замерзания воды с глицерином зависит от концентрации раствора. Раствор, содержащий 80 мл глицерина, замёрзнет при -20 градусах, при снижении содержания глицерина до 60 мл процесс кристаллизации начнётся при -34 градусах, а начало замерзания 20% раствора – минус пять градусов. Как можно заметить, линейная зависимость в данном случае отсутствует. Для замерзания 10% раствора глицерина будет достаточно температуры -2 градуса.
  • Температура замерзания воды с содой (подразумевается едкая щёлочь или каустическая сода) представляет ещё более загадочную картину: 44% раствор каустика замерзает при +7 градусах Цельсия, а 80% — при+ 130.

Замерзание пресных водоёмов

Процесс образования льда на пресноводных водоемах происходит в несколько ином температурном режиме.

  • Температура замерзания воды в озере, точно так же, как и температура замерзания воды в реке, равна нулю градусов по шкале Цельсия. Замерзание самых чистых речек и ручьев начинается не с поверхности, а со дна, на котором присутствуют ядра кристаллизации в виде частиц донного ила. Коркой льда поначалу покрываются коряги и водные растения. Стоит лишь донному льду подняться на поверхность, как река мгновенно промерзает насквозь.
  • Замерзшая вода на Байкале иногда может охлаждаться до отрицательных температур. Происходит это лишь на мелководье; температура воды при этом может составлять тысячные, а иногда и сотые доли одного градуса ниже нуля.
  • Температура байкальской воды под самой коркой ледяного покрова, как правило, не превышает +0,2 градуса. В низших пластах она постепенно повышается до +3,2 на дне самой глубокой котловины.

Температура замерзания дистиллированной воды

Замерзает ли дистиллированная вода? Напомним о том, что для замерзания воды необходимо присутствие в ней неких центров кристаллизации, коими могут стать пузырьки воздуха, взвешенные частицы, а также повреждения стенок ёмкости, в которой она находится.

Дистиллированная вода, совершенно лишённая всяких примесей, не имеет и ядер кристаллизации, а поэтому её замерзание начинается при очень низких температурах. Начальная точка замерзания дистиллированной воды составляет -42 градуса. Учёным удалось добиться переохлаждения дистиллированной воды до -70 градусов.

Вода, подвергнутая воздействию очень низких температур, но при этом не кристаллизовавшаяся, называется «переохлаждённой». Можно, поместив бутылку с дистиллированной водой в морозильную камеру, добиться её переохлаждения, а затем продемонстрировать очень эффектный трюк — смотрите в видео:

Тихонько постучав по бутылке, извлечённой из холодильника, или бросив в неё небольшой кусочек льда, можно показать, как мгновенно она превращается в лед, имеющий вид удлинённых кристаллов.

Дистиллированная вода: замерзает или нет под давлением эта очищенная субстанция? Такой процесс возможен лишь в специально созданных лабораторных условиях.

Температура замерзания соленой воды

  1. Замерзает ли соленая вода? Благодаря высокой концентрации солей океанская и морская вода замерзает при температуре -1,9 градуса по Цельсию.
  2. Температура замерзания воды в морях и океанах не имеет постоянного значения, поскольку солёность воды в разных морях Мирового океана совершенно разная.
  3. Как температура замерзания океанической воды зависит от ее солености? Между этими величинами существует самая прямая связь. Чем более солёной является вода, тем более высокой плотностью она обладает, а для замерзания такой воды требуется достаточно низкая температура.
  4. Средняя температура воды в морях и океанах -4 градуса.

Температура замерзания отдельных морей

При скольких градусах замерзает вода:

  • Каспийского моря? Солёность каспийских вод составляет около 13 промилле. Их замерзание происходит при -0,5 градуса Цельсия. Толщина ледяного покрова северной части Каспия составляет около двух метров.
  • Азовского моря? Его соленая вода замерзает при температуре от -0,5 до -0,7 градусов по шкале Цельсия. Солёность составляет около 11 промилле. Толщина льдов, покрывающих море в период с декабря по март, равна одному метру.
  • Японского моря? Почему соленая вода этого моря не замерзает? Это объясняется высоким (около 34 промилле) уровнем её солёности и географическим положением моря.
  • Балтийского моря? При солёности, насчитывающей всего 6-8 промилле, температура замерзания морской воды в Балтике близка к нулю.

Экспресс-ответы

При скольких градусах замерзает вода:

  1. В трубах отопления? В случае отключения отопления или поломки отопительного котла в частном доме или на даче замерзание воды в них может произойти примерно через пару дней при температуре -5 градусов. Отсрочить наступление такого исхода поможет теплоизоляция труб и остальных элементов здания. Внутри жилого помещения замерзание воды в трубах наступает уже при -1 градусе. Если такая температура продержится 2-3 дня, это может закончиться разрывом труб и отопительных батарей.
  2. Под землей? Подземные воды могут быть жидкими, твёрдыми и парообразными. Твёрдой фазой воды в почве является лёд, который может быть как многолетним (в условиях вечной мерзлоты), так и сезонным. Замерзание почвенных вод происходит при температуре ниже нуля, поскольку все они представляют собой не чистую воду, а всевозможные её растворы. Величина температуры замерзания во многом зависит от минерализации грунтовых вод.
  3. На лету? У жителей Якутии есть нехитрый способ определения температуры воздуха: она ниже -42 градусов, если выпущенный человеком плевок успевает замёрзнуть, не долетев до земли.
  4. В вакууме? Содержимое пробирки, поставленной под колокол вакуумного насоса при температуре 0 градусов, сначала закипает, а после испарения восьмой части жидкости происходит образование ледяной корки на её поверхности.
  5. В двигателе автомобиля? Максимальная температура замерзания воды в двигателе может достичь -5 градусов: при более низких значениях кристаллы льда попросту разорвут внутреннее устройство блока двигателя. Точно такой же является температура замерзания воды в радиаторе. Подобные проблемы в машине могут возникнуть при условии недостаточного утепления вышеперечисленных агрегатов, а также вследствие слишком продолжительной стоянки.
  6. На катке? В зависимости от того, какие соревнования предполагается проводить на ледовой арене, температура поверхности льда может составлять от -3 до -5 градусов. Лёд с более высокой (от -3 до -4) температурой поверхности подходит для фигурного катания, поскольку именно его мягкость позволяет обеспечить необходимую силу сцепления с коньками. Более жёсткий лёд, подходящий для командной игры в хоккей, получается при температуре -5 градусов. На «холодном» льду возрастает скорость игроков и уменьшается возможность образования снежной «каши» на его поверхности. Качество льда в первую очередь зависит от химического состава воды, поэтому для его заливки используют не обычную жидкость из-под крана, а либо очищенную, либо обработанную специальными кондиционерами воду.

Физические основы образования льда

Возможны два случая образования льда при охлаждении воды: первый, когда в воде отсутствуют-кристаллы льда или ядра для их образования, второй — когда в охлаждаемой воде они присутствуют. Каждый из них имеет свои особенности образования льда. В первом случае процесс льдообразования характеризуется большой сложностью и еще недостаточно изучен. Во втором случае процесс льдообразования более простой, что позволяет определить количественные зависимости толщины и скорости намораживания льда от условий охлаждения воды и установить, таким образом, степень влияния отдельных факторов на этот процесс.

В холодильной технике льдообразование почти всегда протекает в условиях, когда имеются необходимые предпосылки для возникновения кристаллов льда. Образование твердой фазы из жидкой начинается только в отдельных точках — центрах кристаллизации. В свою очередь образование первичных центров кристаллизации возможно только при переохлаждении жидкости. Переохлаждением жидкости — называют разность температур между температурой плавления твердой фазы и температурой, при которой выделяются первые кристаллы. После появления кристаллов температура жидкости возрастает до температуры плавления. Необходимость переохлаждения вызывается тем, что возникающие группировки (диспергированные кристаллы) с упорядоченным размещением молекул, близким к структуре кристаллов твердой фазы, неустойчивы. Эти группировки в соответствии с квазикристаллическим строением жидкости непрерывно разрушаются под воздействием теплового движения молекул. Когда температура жидкости становится ниже точки плавления, воздействие теплового движения молекул уменьшается.

Читайте также:  Какие экологические проблемы существует у озера байкал что

Однако эти группировки, представляющие собой только несколько молекул с правильной кристаллической ориентировкой, остаются неустойчивыми и в условиях переохлаждении. Кристаллическая группировка становится устойчивой только тогда, когда в ней содержится несколько сот молекул. Образование такой группировки не может происходить самопроизвольно: оно требует содержания в жидкости твердых частиц. Стабильность этих групп может возникнуть только на поверхности раздела жидкости и твердых частиц, так как здесь имеется пленка жидкости, обладающая особыми свойствами молекулярной ориентации, отличающими ее от остальной массы жидкости.

При движении воды у охлаждаемой стенки первые кристаллы должны выделяться в виде тонкого слоя льда, так как у нее находится наиболее переохлажденная пленка жидкости, обладающая свойствами молекулярной организации, необходимыми для образования устойчивых группировок.

Наиболее благоприятными условия будут тогда, когда теплопередающая стенка по структуре своей поверхности приближается к структуре кристаллов льда и когда теплопередача через стенку проходит интенсивно. Поэтому шероховатые металлические стенки, особенно медные, при интенсивном охлаждении создают более благоприятные условия для образования первых кристаллов льда, чем гладкие и полированные, особенно стеклянные, при медленном их охлаждении.

При интенсивном охлаждении воды с температурой выше 0°С у металлической стенки образуется тонкий сплошной слой льда и переохлаждение воды резко падает до тысячных долей градуса (практически можно считать, что переохлаждение отсутствует). Температура поверхности льда на границе с водой в течение всего дальнейшего процесса охлаждения ее остается постоянной и равной 0°С. Действительно, температура плавления льда при атмосферном давлении не может быть выше 0°С, так как известно, что иметь двойную фазу вещество в перегретом состоянии не может. С другой стороны, температура может понижаться лишь на тысячные доли градуса. Таким образом, практически температура льда на границе может быть принята равной 0°С.

Эта важная особенность процесса намораживания льда у охлаждаемой стенки, омываемой водой, позволяет получить сравнительно простые расчетные зависимости, характеризующие динамику намораживания льда в воде плюсовой температуры.

Источник

Почему вода в реках и озерах не замерзает полностью зимой? (2 фото)

Что «согревает» воду в холода

Ученые выяснили, что на «согревание» воды влияет лед: именно он не пропускает холод и поддерживает в озере температуру на уровне +3-4 градусов по Цельсию. Этот процесс выглядит следующим образом: в предзимний период, когда температура опускается до указанного значения, более холодная вода опускается вниз, уступая свое место воде теплой. В этот момент происходит вертикальное перемешивание жидкости, которое замедляется с понижением показателей термометра. В итоге верхний слой становится холоднее, из-за чего на поверхности появляется ледяная корка, которая служит защитой и не пускает вниз холодный воздух.
Ученые отмечают, что по этой причине не замерзают моря и океаны – кроме Северного Ледовитого, который почти полностью «уходит в минус». Причем настолько, что в некоторых местах толщина льда достигает 50 метров.
Но чтобы море прям полностью замерзло, необходима постоянная, поддерживаемая на протяжении многих месяцев температура под минус 30 градусов. Конечно, такие ситуации иногда возникают. К примеру, в 2012 году одесситы увидели, как впервые за 30 лет черноморский курорт превратился в ледник.
Кстати, некоторые исследователи считают, что нам нужно опасаться не глобального потепления, а масштабного похолодания, чуть ли не вплоть до той ситуации, с которой однажды, как говорят ученые, столкнулись динозавры.

Вода, лед – а что между ними?

Интересный в свое время эксперимент поставили химики из американского Университета Юты. В ходе исследований они выяснили, при какой минимальной температуре вода (чисто теоретически) может оставаться жидкостью. Оказалось – при минус 48 градусов по Цельсию. Когда температура приближается к данному показателю, в жидкости начинаются быстрые структурные изменения: молекулы собираются по 4 штуки и образуют тетраэдры.
Ученые назвали данное состояние «промежуточным льдом»: это вроде бы не кристалл, но уже и не жидкость. Скорее, похоже на хаотический сбор неупорядоченных кристаллических ячеек. При указанной температуре тетраэдры образуют правильную решетку, вследствие чего лед промежуточный превращается в настоящий. При этом его плотность падает, но возрастают теплоемкость и сжимаемость. Хотя в других жидкостях последние характеристики, наоборот, падают с понижением температуры.
Американские химики решили, что во время перехода из жидкости в лед вода попадает в промежуточное состояние, после чего ее ячейки превращаются в идеальный кристалл.

Источник



Тайна замерзания водоемов

Лёд на поверхности прудов и озёр — первый признак наступающей зимы. Толстая корка льда, по идее, должна быть тяжелее воды и опускаться на дно водоема. Но происходит все наоборот. Льдины легче, находятся на поверхности и не думают тонуть. Не было бы этого эффекта зимой, то и о катаниях на коньках не было бы и речи. Это всё ясно, но почему вода не замерзает под слоем льда?

Тайна замерзания водоемов

Парадокс воды

Вода — одна из немногих субстанций в природе, которая при замерзании не сжимается, а расширяется. Соответственно при кристаллизации масса теряет в весе. Ученые рассчитали, что самую высокую плотность вода имеет при температуре +4 градуса Цельсия.

Как замерзает вода?

Практически все жидкости при охлаждении сжимаются, что приводит к сокращению их объема и увеличению концентрации. Например, твердый воск опускается на дно сосуда с расплавленным воском из-за более высокой массы. Точно так же ведет себя и вода, которую охлаждают до +4 градусов Цельсия. Она сжимается. Но после этой отметки происходит нечто странное. При дальнейшем замораживании, вода вдруг начинает расширяться и становиться менее плотной. Таким образом, лед, полученный заморозкой воды при 0 градусе Цельсия, оказывается легче незамерзшего слоя воды с температурой на 4-5 градуса выше нуля.

Замерзание водоема происходит в несколько этапов:

  • Вода охлаждается до +4 градусов Цельсия, становится более плотной и, соответственно, опускается на дно водоема. Теплые слои поднимаются вверх, где также охлаждаются и снова уходят на дно.
  • Конвекция несколько замедляется после остужения всех слоев водоема до +4 градусов.
  • Дальнейшее понижение температуры в верхней части запускает процесс расширения и уменьшения плотности слоев на поверхности. Опуститься ниже он уже не может, поэтому продолжает замерзать и кристаллизоваться.
  • При нулевой температуре верхний слой превращается в лёд, а нижние слои так и остаются в жидком состоянии.

Сохранение плюсовой температуры в нижних слоях водоема дает возможность живым организмам выживать в условиях суровых зим. Ведь если бы этого эффекта не было, то вся фауна и флора погибла бы.

Разница кристаллизации воды и воска

Ледяной кубик воды имеет на поверхности небольшую выпуклость, что связано с процессом замерзания Н2О: с краев в середину. То есть вода в центре кристаллизуется в самую последнюю очередь и за счет давления выдавливает корку наружу.

Воск замерзает в точности наоборот и образует вогнутую поверхность, что связано с процессом равномерного сжатия при кристаллизации.

Уважаемые читатели!
Спасибо, что читаете наш блог! Получайте самые интересные публикации раз в месяц оформив подписку. Новым читателям предлагаем попробовать нашу воду бесплатно, при первом заказе выберите 12 бутылок (2 упаковки) минеральной воды BioVita или питьевой воды Stelmas. Операторы свяжутся с Вами и уточнят детали. Тел. 8 (800) 100-15-15

* Акция для Москвы, МО, Санкт-петербурга, ЛО

Источник

Ледостав и поведение на тонком льду

Природное явление образования твердого ледового покрова на поверхности водоемов само по себе удивительно и связано прежде всего со свойствами воды – уникальной жидкости. Так вот, при плюсовой температуре все молекулы воды в каком-то объеме связаны между собой в бесконечные цепочки, поэтому в данном состоянии жидкость представляет из себя аморфное соединение с характерными свойствами. Однако, когда вода охлаждается ниже определенного температурного значения, начинается льдообразование – по сути это означает, что происходит разрыв цепочек воды на отдельные молекулы с распределением их в кристаллическую решетку. Вода из жидкого переходит в твердое агрегатное состояние – в лед, плотность которого заметно меньше плотности воды, поэтому лед имеет положительную плавучесть и может выдерживать значительную внешнюю нагрузку, которая тем больше, чем толще и однороднее ледовый покров.

Становление льда, или перволедье, практически никогда не проходит по идеальному с точки зрения физики сценарию. Часто бывает так, что наблюдается по нескольку коротких периодов образования временного ледового покрытия, которое, не достигнув достаточной прочности, размывается затем дождями, ослабляется сырыми туманами и разбивается ветром. В лучшем случае период перволедья может быть и очень коротким – одна-две тихие ночи с крепким морозом. Кроме того, само перволедье, если оно уже сложилось, можно условно разделить на некие фазы: перволедок (тонкий, но уже не разрушающийся ледок), крепкий хотя бы местами лед и надежный лед, сплошь покрывший некоторые водоемы и везде пригодный для рыбалки. Ясно, что не только на разных водоемах, но даже на одном эти фазы разнесены и по времени, и по акватории, порой значительно. Поэтому, планируя первые выходы на лед, нужно хорошо представлять, что происходит на том или ином водоеме в зависимости от его типа и от сложившейся погодной ситуации. Такие знания даются только благодаря ежегодным наблюдениям и сравнительному анализу.

Теперь подробнее о тех природных процессах, которые ведут к образованию на поверхности воды льда, и о его свойствах, обусловленных качеством самой воды и рядом внешних факторов. Самое главное тут – конвективный теплообмен между двумя средами, водой и воздухом, происходящий на границе раздела. Вода, являясь очень емким аккумулятором тепла, к концу летнего сезона оказывается гораздо более нагретой, чем атмосфера вблизи поверхности земли. Воздух, как менее плотный, а потому не такой энергоемкий, быстро остывает из-за ставших длинными ночей и удаления планеты от светила с изменением интенсивности и наклона солнечных лучей к поверхности. И чем ниже опускается температура воздуха, тем быстрее происходит теплообмен с водой.

Читайте также:  Лучшие пляжи ладожского озера

Когда поверхностный слой воды охладится до температуры плюс 4 градуса, при которой эта жидкость скачком становится максимально плотной, она, практически не перемешиваясь, опустится вниз, вытесняя вверх теплую и более легкую воду. Таким образом происходит вертикальная циркуляция и очень медленное перемешивание всей толщи воды. Этот процесс конвекции постепенно затухает по мере приближения общей температуры к 4 градусам, но совсем никогда не прекращается – донные слои постоянно получают тепло от ложа водоема, которое зимой всегда несколько теплее воды, иначе бы водоемы промерзли до дна, а лед бы нарастал и сверху, и снизу, что обычно происходит в климатических зонах с вечной мерзлотой.

Когда основная масса воды примет температуру 4 градуса, начинается ее дальнейшее охлаждение до 0 градусов – это точка перехода дистиллированной воды в кристаллическое состояние, то есть точка замерзания. Переохлаждение ниже 0 градусов приводит к образованию льда.

В реальности в различных водоемах вода представляет собой некий раствор из солей и микровзвесей, отличающийся по составу, что обычно снижает температуру, необходимую для становления льда, и для разных водоемов эта температура неодинаковая. Опять же, идеальной картины замерзания воды в природе не бывает, и лед каждый год встает по-разному – это зависит от погоды, которой ледостав сопровождается, а также от типа водоема: большой он или маленький, глубокий или мелководный, с течением или непроточный. На образование льда влияют также колебания уровня воды, значительные по объему теплые бытовые стоки, продолжающееся кое-где судоходство.
Если ледостав происходит в тихую морозную погоду, то лед практически равномерно покрывает весь водоем, нарастая от берегов, и прежде всего в местах мелководий. Когда процесс становления льда сопровождается сильным ветром, то образование ледяного покрова на открытых пространствах больших водоемов задерживается надолго – крутые волны ломают и уносят непрочный тонкий перволедок и сбивают его к подветренному берегу, где при достаточно сильном морозе, быстро схватывающем этот хрупкий строительный материал, может образоваться весьма толстая, но менее прочная, чем сплошной лед, широкая закраина. Другая закраина из монолитного льда будет расти от наветренного берега, и чем круче, выше этот берег, тем шире прозрачный отмосток ляжет на воду.

При затихании ветра, если не случится внезапной оттепели, эти две закраины быстро соединятся, так как хорошо перемешанная и охлажденная вода будет готова к замерзанию. Однако рыболову еще долго следует помнить: где лед встал вначале – там он толще и прочнее. Понятно, что над большими глубинами, где масса воды велика, охлаждаться она будет дольше и образование льда наступит позже, чем на мелких местах. Такая же закономерность существует при ледоставе на обширных или небольших водоемах – на первых надежный лед встанет значительно позднее и при более крепких морозах.

На реках свои особенности ледостава: из-за течения вода постоянно перемешивается по всему объему и переохлаждение наступает для всей движущейся массы, на что нужно дополнительное время, поэтому лед на реке встает несколько позже, чем на водоемах со стоячей водой. Однако вода в реках подо льдом в целом холоднее, чем на озерах и водохранилищах, и, как это ни парадоксально, дальнейший прирост льда на реке идет быстрее.

Разумеется, на сильном течении лед встает позже, чем на слабом. К тому же, после обильных осенних дождей в начале зимы на реках бывают ощутимые и достаточно резкие колебания уровня воды – обычно наблюдается его падение, связанное с уменьшением стока из притоков по причине замерзания поверхностных грунтовых вод. Это ведет к тому, что тонкий лед повисает и обламывается по берегам и течение уносит всю массу перволедка. Движущиеся льдины скапливаются в местах с обратным течением за мысами и на стрелках сбоя струй, а также на границе, где быстрый поток вливается в медленнотекущий плес. Во всех таких характерных местах образуются затем торосы, достигающие порой толщины до 3 метров – они всю зиму служат хорошим ориентиром для рыболовов при поиске рыбьих стоянок, поскольку подводные обитатели скапливаются вблизи подобных особенностей поведения речного потока, так как здесь естественным образом концентрируется корм.

Как уже было сказано выше, становление льда в начале зимы может происходить при разных внешних условиях, от чего в конечном итоге будут зависеть толщина и качество ледового покрова, а значит, и безопасность нахождения на нем.

Прежде всего, наиболее прочен чистый, монолитный лед, образовавшийся от замерзания переохлажденного верхнего слоя воды. Однако ловить рыбу с такого льда имеет смысл лишь над большой глубиной, куда доходит мало света и рыба не пуглива. Поэтому безопасным он будет при достижении толщины не менее 5 сантиметров – лишь в этом случае лед надежно выдерживает одного человека, а вот группами на нем собираться нельзя.

Прочность ледового покрова линейно увеличивается с ростом его толщины и с понижением температуры. Но тут надо представлять, что температура льда по толщине различна: вверху она равна атмосферной, а внизу – соответствует точке замерзания воды, то есть около ноля градусов. А поскольку температурный коэффициент линейного расширения льда огромен (например, в пять раз больше, чем у железа) и многие, наверное, видели, как разрываются прочные сосуды с замерзшей водой, то становится понятно, что аналогичные процессы неизбежны и со льдом на водоеме: по мере роста его толщины имеющие разную температуру слои испытывают расширяющую нагрузку как поперечного, так и продольного направления. Именно поэтому при резких потеплениях или похолоданиях лед на водоемах лопается с оглушительным грохотом и по нему разбегаются длинные трещины. Кроме того, на огромных акваториях озер и водохранилищ эти трещины, с одной стороны, вызывают образование ледовых торосов, а с другой (для компенсации) – широкие разводья, в которые можно запросто угодить, особенно после укрывающих открытую воду снегопадов.

Можно подумать, что трещины на ледовой поверхности образуются бессистемно, хаотично. Однако не все так просто, если вспомнить механизм льдообразования: в начале зимы, когда лед еще не везде одинаков по толщине, напряжения локализуются в узких зонах стыковки толстого и тонкого ледового покрова, то есть там, где мелководье резко переходит на глубину. Опытные рыболовы знают, что донные свалы, где часто держится рыба, следует искать по старым и широким, идущим обычно параллельно основному руслу трещинам. При этом глубокая сторона водоема будет определяться по близко располагающейся к обычно крутому берегу трещине, и наоборот.
Чтобы представлять, какой лед может ожидать на водоеме в начале зимы, следует знать, что его прирост в течение суток сильно зависит от температуры воздуха и уже имеющейся толщины. Это выглядит примерно так: если лед был уже около 10 сантиметров, то за следующие сутки он прибавит 4 см при морозе минус 5; 6 см – при морозе 10; 8 см – при минус 15; 9 см – при минус 20. Но если исходная толщина льда составляет, допустим, 20-30 см, то суточный прирост при тех же температурах уменьшится примерно в 3-4 раза – точнее сказать нельзя, поскольку на это влияет и качество воды.

Конечно, идеальную картину намерзания льда сильно меняет толщина имеющегося на нем снежного покрова, который выполняет как бы роль шубы. Известно, что теплопроводность (холодопроводность) снега до 30 раз меньше, чем у льда (многое зависит еще от плотности снега), поэтому при снегопадах в зависимости от их интенсивности надо вносить в расчеты соответствующую поправку.

Важно понимать по виду первого, непрочного льда, как он реагирует на нагрузку. Рыболовы с опытом говорят, что молодой лед не обманет, не подведет, а вовремя сообщит об опасности громким треском и видом трещин. Приложенная к тонкому льду нагрузка (рыболов на льду) вызывает его прогиб (деформацию) в виде чаши. При малом грузе деформация носит упругий характер, а чаша расширяется симметрично по периметру. Если нагрузка будет выше предела упругости, то начнется пластическая деформация льда и чаша прогиба станет быстрее увеличиваться в глубину, чем в ширину – это начало разрушения льда. В количественном выражении это будет выглядеть так. Для наиболее прочного прозрачного льда центральный прогиб его на глубину в 5 см трещин не вызовет; прогиб в 9 см ведет к усиленному образованию трещин; прогиб в 12 см вызывает сквозное растрескивание; при 15 см лед проваливается.

Под действием нагрузки трещины во льду возникают как радиальные – исходящие от точки приложения, так и концентрические – вокруг этой точки. Радиальные трещины лишь предупреждают о недостаточной прочности льда, что требует предельной осторожности на нем. Но если к радиальным трещинам добавляется концентрическое растрескивание, сопровождаемое характерным скрипящим звуком, нужно скользящим шагом немедленно покинуть опасный участок, в особо критической ситуации лучше лечь на лед, чтобы увеличить площадь распределения веса по поверхности, и отползти в обратном направлении. Нужно знать и другие правила поведения на тонком льду:
– ни в коем случае не ходить по нему гуськом, иначе радиальные трещины на тропе быстро прирастут концентрическими;
– не отправляться на рыбалку в одиночку;
– проверять каждый шаг на льду остроконечной пешней, но не бить ею лед перед собой – лучше сбоку;
– не подходить к другим рыболовам ближе чем на 3 метра;
– не приближаться к местам, где в лед вмерзли коряги, водоросли, воздушные пузыри;
– не ходить рядом со свежей трещиной или по участку льда, отделенному от основного массива несколькими трещинами;
– быстро покинуть опасное место, если из проделанной лунки начинает бить фонтаном вода;
– обязательно иметь средства страховки и спасения (шнур с грузом на конце, длинную жердь, широкую доску);
– не совмещать рыбалку с потреблением спиртного.

Источник